Transcript 969216 バイト - 地方独立行政法人大阪府立産業技術総合研究所

NLDプラズマエッチング装置の機能および操作方法
大阪府立産業技術総合研究所
生産技術部 特殊加工Ｇ 研究員
福田 宏輝
プラズマエッチング装置を用いた微細加工
マスク
基板
リソグラフィーで
マスクパターンを形成
周期＝0.25μm
幅＝0.125μm
石英基板
エッチング
マスクを除去
エッチング
【１】 ウェットエッチング
・・・ 液体薬品で腐食させる
【２】 ドライエッチング （プラズマエッチング）
・・・ イオンをぶつけて加工する
ウェットエッチングの例
材料
Si
SiO2
エッチング液
HF + HNO3 + CH3COOH
HF
Au
I2 + KI
Ti
HF
Al2O3
H3PO4
SiN4
H3PO4
ウェットエッチングとドライエッチングの比較
ウェットエッチング
ドライエッチング
レジストの密着性が損
なわれる
レジストの密着性が保た
れる
パターンの形状制御が
困難
精密なパターン制御が可
能
選択比が無限にとれる
場合が多い
選択比に制限が多い
微細パターン形成への
適用が困難
微細パターン形成への適
応が可能
ラディエーションダメー
ジの恐れがない
ラディエーションダメージ
の恐れがある
ウェットエッチング
等方性エッチング
幅＞＞深さ
幅＜深さ
幅
幅
深さ
深さ
マスク
広がって余分な部分まで
エッチングされる
（サイドエッチング）
ドライエッチング（プラズマエッチング）
異方性エッチング
幅＜深さ
イオン
幅
マスク
深さ
基板
イオンが基板へほぼ垂直に入射
垂直にほれる
プラズマとは・・・
Ｎ
－
＋
Ｎ
Ｎ
－ プラズマ － ＋
＋ Ｎ ＋ Ｎ
原子が電離を起こし、
正イオンと電子に分かれた荷電粒子を含む気体
（例）
自然 ・・・ 恒星，電離層，オゾン，雷，
人工 ・・・ 核融合炉，アーク溶接，蛍光灯，ロウソクの炎
「プラズマエレクトロニクス」，菅井秀郎，オーム社
密度 ・・・ 106 ～ 1025個/m3
温度 ・・・ 102 ～ 109K
プラズマの生成
振動電場の周波数
電子
イオン核
RF
プラズマ
振動電場
電源
平行板に高周波電圧をかける
13.56 / 27 MHz
VHF
40 / 60 / 100 MHz
UHF
0.5 / 0.915 / 2.45 GHz
SHF
9 GHz
プラズマ
プラズマ
電源
電源
コイルに高周波電流を流す
強い電波を当てる
基板へのイオンの引き込み
プラズマ中で基板に高周波をかける
プラズマ
Ｎ
Ｎ
＋
－
＋
高周波
電源
基板に負の電圧がかかる
Ｎ
－
＋
高周波
電源
＋イオンが基板に高速で入射（ほぼ垂直に）
基板との反応
CF4を用いたSiO2のエッチングの例
ラジカルが表面に付着し，基板と反応
CF4
e-
CF2
F-
CF4
e-
CF3
eCF3
F*
CF2
CF3
様々なイオン
やラジカル
イオン衝撃のある部分は，反応が活発
＋イオンが加速
異方性エッチングされる
マスク
ラジカル
SiO2
SiO2 + 2CF2 → SiF4↑ + 2CO↑
反応性イオンエッチング
ドライエッチングの例
エッチングには2つの側面がある
材料
poly-Si
【1】 物理的な側面
・・・イオンの衝撃で破壊
【2】 化学的な側面
・・・ラジカルと反応
■ 反応性イオンエッチング
(Reactive Ion Etching : RIE)
・・・ 基板材料とガスが反応する
Si
Cl2, Cl2+HBr, Cl2+O2, CF4+O2, SF6, Cl2+N2,
Cl2+HCl, HBr+Cl2+SF6
SF6, C4F8, CBrF3, CF4+O2, Cl2, SiCl4+Cl2,
SF6+N2+Ar, BCl2+Cl2+Ar
Si3N4
CF4, CF4+O2, CF4+H2, CHF3+O2, C2F6,
CHF3+O2+CO2, CH2F2+CF4
SiO2
CF4, C4F8+O2+Ar, C5F8+O2+Ar, C3F6+O2+Ar,
C4F8+CO, CHF3+O2, CF4+H2
Al
BCl3+Cl2, BCl3+CHF3+Cl2, BCl3+CH2+Cl2,
B+Br3+Cl2, BCl3+Cl2+N2, SiO4+Cl2
Cu
Cl2, SiCl4+Cl2+N2+NH3, SiCl4+Ar+N2,
BCl3+SiCl4+N2+Ar, BCl3+N2+Ar
Ta2O5
■ スパッタ・エッチング
・・・ イオンの衝撃による破壊のみ
（例） Arガス
エッチング・ガス
TiN
SiOF
CF4+H2+O2
CF4+O2+H2+NH3, C2F6+CO, CH3F+CO2,
BC3+Cl2+N2, CF4
CF4+C4F8+CO+Ar
F，Cl，Br 等のハロゲン系が多い
プラズマで分解されたとき、活性の高い分子
（ラジカル）をつくるから
エッチング速度
1000
1200
800
600
400
エッチングガス：CF4（51sccm)
圧力：0.4Pa
アンテナ・パワー=1500W
ULVAC製　NLD-800エッチング装置
200
0
エッチング速度 [nm/min]
エッチング速度 [nm/min]
1000
エッチングガス：CF4（51sccm）
圧力：0.4Pa
バイアス・パワー：100W
ULVAC製　NLD-800エッチング装置
800
600
400
200
0
0
200
400
600
バイアス・パワー [W]
800
0
500
1000
アンテナ・パワー [W]
1500
エッチング速度＝基板がエッチングされる速 度
■ エッチング速度・・・エッチングガス，エッチング条件，基板の材質により変化
■ 特にバイアス・パワーに大きく依存
バイアス・パワーが小さすぎると，エッチングが停止することもある
選択比
マスクもエッチングされる
・・・イオン衝撃で破壊される
マスク
基板
エ
ッ
チ
ン
グ
エ
ッ
チ
ン
グ
基板のエッチング速度
選択比＝
マスクのエッチング速 度
■ 選択比・・・エッチングガス，エッチング条件，マスクの材質により変化
（例） 電子線レジスト・・・1～5ぐらい
選択比の大きくなる条件を選ぶ必要がある
■ エッチング可能な深さ ＝ 選択比 × マスクの膜厚
NLD-800
NLD-800 （ULVAC製）
■ NLD (Neutral Loop Discharge : NLD) 方式を採用
■ 到達真空度＝6.7×10-4Pa
操作圧力＝7×10-2Pa～6.7Pa
■ アンテナ電源（最大出力）＝13.56MHz（2kW）
バイアス電源（最大出力）＝13.56MHz（1kW）
■ 基板温度＝-30～＋30℃
■ 基板サイズ（最大）＝φ100mm
■ エッチング均一性（φ100mmの石英基板，カタログ値）
基板内＝±5%以下
基板間＝±5%以下
ULVAC製 NLD-800エッチング装置
磁気中性線プラズマ（Neutral Loop Discharge : NLD）
NLD（Neutral Loop Discharge）の特徴
高密度プラズマ生成が可能（10-1Pa台でArで1011cm-3以上）
良好な均一性
磁気中性線
(Nuetral Loop : NL)
磁気コイル
磁場＝0
Neutral Point
コイル
（RF用） ガス供給口
RF
磁
気
コ
イ
ル
ポンプ
基板
RF
エッチング例1
0.125μm Line & Space，高さ = 0.2μm (石英基板 )の作製
アスペクト比＝1.6
レジスト
（NEB-22 A2）
SiO2
0.25μm
エッチング
レジスト除去
0.1μm
0.2μm
エッチング装置：NLD-800
エッチングガス：CF4(20sccm),CH2F2(11sccm)
圧力：0.8Pa
アンテナパワー：1500W
バイアスパワー：400W
エッチング時間：18sec
エッチング速度：0.7μm/min
選択比：1.4
レジスト・パターン
SiO2・パターン
リフト・オフ
・・・元のレジスト・パターンとポジネガ反転した、金属・パターンが作製できる
レジスト
基板
ポジ型レジスト塗布
（例）ZEP520-12
膜厚＝250nm
電子線描画
現像
真空蒸着
（例）Ni，Cr
膜厚＝100nm
溶剤でレジストを除去
（リフト・オフ）
金属膜による逆パターンができる
エッチング例2
0.2μm Line & Space ，深さ = 1.35μm (石英基板 )
アスペクト比＝6.8
Ni
SiO2
0.1
μm
エッチング
Ni 除去
エッチング装置：NLD-800
エッチングガス：CF4(51sccm)
圧力：0.4Pa
アンテナパワー：300W
バイアスパワー：100W
エッチング時間：7min
エッチング速度：0.19μm/min
Niパターン
SiO2・パターン
1.35
μm
エッチング例3
Ni マスクを用いたSiO2のエッチング ・・・深溝・・・
Ni
SiO2
0.05
μm
エッチング
エッチング装置：NLD-800
エッチングガス：CF4(82sccm),CH2F2(11～14sccm),
O2(3～5sccm)
圧力：0.4Pa
アンテナパワー：1200W
バイアスパワー：100W
エッチング時間：7～9min
0.5μm Line & Space
高さ＝2.8μm
アスペクト比＝5.6
エッチング速度：0.4μm/min
1μm Line & Space
高さ＝3.7μm
アスペクト比＝3.7
マスクの後退
エッチング条件によっては、
マスク端の部分が特にエッチングされ、尖った構造になる場合がある
金属マスク
基板
エ
ッ
チ
ン
グ
エッチング例
SiO2基板
元パターン：3μm L&S
エッチング例
SiO2基板
元パターン： 2μm L&S
エッチング例4
マスクの後退を利用したエッチング例
Ni
SiO2
0.05
μm
エ
ッ
チ
ン
グ
エッチング装置：NLD-800
エッチングガス：CF4(82sccm),CH2F2(14sccm),
O2(10sccm)
圧力：0.4Pa
アンテナパワー：1200W
バイアスパワー：500W
エッチング時間：5min
元パターン：格子構造（線幅：1μm）
尖った構造の応用例
① 反射防止構造 ② 型抜きが容易
0.125μm
反射防止効果をもつ表面構造
元パターン：0.125μmのドット（周期：0.25μm）
おわりに
■ 基板サイズ ・・・ ＜100mmφ
（100mmφのトレーに載せ，エッチングを行います）
■ 材質 ・・・ SiO2，Si の経験あり（その他の材質についてもご相談ください）
■ パターンサイズ
横方向 ・・・ ＞0.1μm
縦方向 ・・・ ＜数μm（横方向のパターンサイズに大きく依存）
■ 使用可能ガス ・・・ CF4，CH2F2，CHF3，C3F8，C4F8，SF6，Ar，O2，Cl2
■ 設計通りの加工を行うことは容易ではなく、また必ず条件出しが必要になります。
どうぞ、ご相談ください。